CN117813756A - 降压调节器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降压调节器(1)，所述降压调节器具有：可配置的集成电路(2)，所述集成电路包括可配置的评估和控制单元(10)、可配置的驱控电路(12)、可配置的补偿电路(5)和至少一个可控的半导体开关(T)；和与集成电路(2)的端子电连接的、具有不同的部件的外部布线(14)，其中反馈信号(Vrück)被引回给评估和控制单元(10)，所述反馈信号代表在集成电路(2)的输出端(A)处可截取的输出电压(Vout)，所述评估和控制单元被设计用于：基于反馈信号(Vrück)结合驱控电路(12)产生至少一个切换信号并输出给至少一个可控的半导体开关(T)，使得形成用于从施加在集成电路(2)的输入端(E)处的输入电压(Vin)来调节输出电压(Vout)的闭合调节回路，所述输出电压最大具有输入电压(Vin)的电压电平，其中集成电路(2)结合电连接的外部布线(14)并且根据评估和控制单元(10)的配置、驱控电路(12)的配置和补偿电路(5)的配置在第一配置中起线性调节器(2A)的作用或者在第二配置中起降压开关转换器(2B)的作用。

Description

降压调节器

技术领域

本发明涉及一种具有集成电路的降压调节器，所述降压调节器可以例如在车辆系统中用于产生内部的系统电压。

背景技术

用于安全气囊系统的当前的控制设备使用多个内部的供电电压，所述供电电压在控制设备内从集成的能量供应装置中产生。在此，使用例如可以设计为升压转换器(Boost升压)、降压开关转换器(Buck降压)和/或线性调节器(LDO：Low Drop-Out低回差)的电压调节器。可以对于小电压、例如在2至5V等范围内的小电压使用具有低于500mW的输出功率的线性调节器作为降压调节器。它们的简单设计实现具有无需线圈和二极管的简单调节的低成本电路。但是效率较低。在超过700mW的更高的输出功率的情况下，可以使用降压开关转换器作为降压调节器。降压开关转换器有时以超过90％的非常高的效率实现高效的供电解决方案。其相对复杂的设计连同为了补偿需要具有线圈和二极管的附加布线的复杂调节使得应用相对昂贵。此外，调节装置严重依赖于附加布线的外部部件。必须在总系统的设计阶段中尽早确定哪种降压调节器在哪种应用中使用，因为其对电路板的布局、总功率损失、热行为等具有重大影响。目前不可能通过简单地改变装配和/或部件来灵活地适配现有设计中的降压调节器变体，所述降压调节器变体例如借助现有的电路板布局来预设所确认的总架构。因此，无法实现根据系统尺寸和/或系统功能来缩放降压调节器的输出功率。根据系统要求确定了开关转换器还是线性调节器作为降压调节器，然后不能再改变。

汽车电子领域的高成本压力还导致电路的尺寸设计非常强地适配于特定应用情况，并且就更高性能的意义而言只预留很少的“裕量”。对于安全气囊系统的当前的控制设备而言，这例如意味着用于向系统供应电压的电路非常强地限于所确定的负载情况。

发明内容

具有独立权利要求1的特征的降压调节器的优点是：实现降压调节器可以灵活地适配于集成电路的输出端处的功率要求，并且在此将系统成本和更改耗费保持得尽可能低。因此，控制设备和总系统的对应的内部能量供应能够以最简单的方式实现非常好的可缩放性。

概括而言，提供一种具有集成电路的降压调节器，所述集成电路既可以作为降压开关转换器又可以作为线性调节器工作。在此，集成电路被设计成，使得通过简单地适配外部布线的部件和对应地配置集成电路(例如通过编程、引脚编码等方式)可以实现线性调节器的功能和线降压开关转换器的功能。因此，低成本地且借助相同系统架构(硬件电路、电路板)可以非常简单地扩展对应的内部能量供应装置的性能。因此，降压调节器提供低于500mW的低输出功率的“小型”系统可以将集成电路作为线性调节器来运行，所述线性调节器仅在外部与稳压电容器接线。降压调节器提供超过700mW的高输出功率的“大型”系统将集成电路作为性能更强的降压开关转换器运行，所述降压开关转换器除了稳压电容器外在外部与线圈和二极管接线。在此，选择集成电路的组成部分的设计，使得即使在作为线性调节器的运行中也能保留高的成本优势。

本发明的实施方式提供一种降压调节器，所述降压调节器具有：可配置的集成电路，所述集成电路包括可配置的评估和控制单元、可配置的驱控电路、可配置的补偿电路和至少一个可控的半导体开关；和与集成电路的端子电连接的、具有不同的部件的外部布线。反馈信号被引回给评估和控制单元，所述反馈信号代表可在集成电路的输出端处截取的输出电压，所述评估和控制单元被设计用于：基于反馈信号结合驱控电路产生至少一个切换信号并输出给至少一个可控的半导体开关，使得形成用于从施加在集成电路的输入端处的输入电压来调节输出电压的闭合调节回路，所述输出电压最大具有输入电压的电压电平。集成电路结合电连接的外部布线并且根据评估和控制单元的配置、驱控电路的配置和补偿电路的配置在第一配置中起线性调节器的作用或者在第二配置中起降压开关转换器的作用。

本发明的实施方式实现控制设备的对应的内部能量供应装置的显著更大的可缩放性，使得可以借助相同的集成电路覆盖宽范围的输出负载和/或输出线路。在此，在降压调节器的电路中和电路板布局中所需的适配被保持在最低限度。典型地，对于作为降压开关转换器的运行，仅将已经预留在电路板布局中的电感或存储扼流圈或线圈和续流二极管对于作为线性调节器的运行补充到现有的外部布线中。集成电路通过改变其组成部分的配置从作为线性调节器的运行切换到作为降压开关转换器的运行。评估和控制单元和/或驱控电路和/或补偿电路作为集成电路的组成部分的配置可以例如在集成电路的第一次调试之前或期间例如经由引脚编码或工厂侧编程或系统侧编程，例如通过SPI通过控制设备的微控制器或通过读取外部存储器、例如EEPROM来进行。降压调节器的输出功率可以根据集成电路和外部布线的具体实施方案非常容易地改变，例如改变3到4倍。因此，例如可以实现如下降压调节器，所述降压调节器在作为线性调节器的运行中从6.7V的输入电压提供3.3V的输出电压与200mA的平均电流。在作为降压开关转换器的运行中，相同的集成电路可以提供3.3V的输出电压与600mA的平均电流。在总系统中，因此可以在内部能量供应装置的现有架构中非常容易地补充附加的消耗器，例如另外的传感器、更强大的微控制器、通信接口。不需要添加新的集成电路，而是将当前的集成电路从作为线性调节器的运行转换为作为降压开关转换器的运行并补充外部布线所需的无源组件就是足够的。

在本文中，评估和控制单元可以被理解为例如可以在控制设备中、特别是在气囊控制设备中使用的电路。评估和控制单元接收反馈信号并对其进行评估，以便对应地激活或停用至少一个可控的半导体开关的驱控电路。为此，评估和控制单元可以具有至少一个对应的接口。

通过从属权利要求中列出的措施和拓展可以有利地改进在独立权利要求1中说明的降压调节器的有利的改进形式。

特别有利的是：外部布线在集成电路作为线性调节器的第一配置中可以包括短路桥和电容器作为部件。在此，短路桥可以将集成电路的可截取高测电压的节点与集成电路的可截取输出电压的输出端连接。电容器能够环接在集成电路的输出端和参考电位之间，并且稳定所连接的负载两端的输出电压。这实现简单地实施具有起线性调节器作用的集成电路的降压调节器。

在降压调节器的有利的设计方案中，外部布线在集成电路作为降压开关转换器的第二配置中可以包括电感、二极管和电容器作为部件。在此，替代于短路桥，电感可以将集成电路的可截取高侧电压的节点与集成电路的可截取输出电压的输出端连接。二极管可以环接在集成电路的节点和参考电位之间，并且起续流二极管作用。电容器可以类似于集成电路作为线性调节器的运行而环接在集成电路的输出端和参考电位之间。这实现简单地实施具有起降压开关转换器作用的集成电路的降压调节器。

在降压调节器的另一有利的设计方案中，评估和控制单元可以在集成电路作为线性调节器的第一配置中起差分放大器的作用，所述差分放大器将反馈信号与参考信号进行比较，并且可以结合驱控电路产生用于至少一个可控的半导体开关的至少一个切换信号，所述驱控电路在集成电路作为线性调节器的第一配置中起驱动电路的作用。在此，补偿电路可以在集成电路作为线性调节器的第一配置中不具有功能。

在降压调节器的另一有利的设计方案中，评估和控制单元可以在集成电路作为降压开关转换器的第二配置中起比较器的作用，所述比较器将反馈信号与参考信号进行比较，并且可以结合驱控电路产生用于至少一个可控的半导体开关的至少一个切换信号，所述驱控电路在集成电路作为降压开关转换器的第二配置中起PWM(PWM：脉宽调制)调制器和驱动电路的作用。在此，补偿电路可以在集成电路作为降压开关转换器的第二配置中在产生至少一个切换信号时稳定评估和控制单元。此外，如果反馈信号小于参考信号，则评估和控制单元可以将第一信号输出给驱控电路的PWM调制器，并且如果反馈信号大于参考信号，则评估和控制单元可以将第二信号输出给驱控电路的PWM调制器。然后，驱控电路的PWM调制器可以结合驱动电路基于第一信号改变至少一个切换信号，使得输出电压增大，或者基于第二信号改变至少一个切换信号，使得输出电压减小。因为产生至少一个切换信号作为PWM信号(脉宽调制信号)，所以可以以高效率调节输出电压。

在降压调节器的另一有利的设计方案中，电流传感器电路可以被设计为：检测流过至少一个可控的半导体开关的电流的值，并且将对应的测量信号输出给评估和控制单元，所述评估和控制单元被设计用于：在产生用于至少一个可控的半导体开关的至少一个切换信号时，考虑流过至少一个可控的半导体开关的电流的检测到的值。由此可以精确地设置期望的输出电压。此外，如果检测到的电流值过大，则可以切断至少一个半导体开关。

在降压调节器的另一有利的设计方案中，可以将输出电压或输出电压的一部分作为反馈信号引回。因此，输出电压例如可以以直接连接的形式施加到集成电路的对应的端子处。替代地，可以经由外部或内部分压器引回输出电压。

在降压调节器的另一有利的设计方案中，至少一个半导体开关的的尺寸设计可以适配于集成电路的第一配置中的线性调节器的电流要求和/或回差电压要求。因此，例如可以将至少一个可控的半导体开关的布局面积和接触电阻适配于集成电路的第一配置中的线性调节器的电流要求和/或回差电压要求。在将集成电路作为降压开关转换器的运行中，由于作为PWM信号施加的切换信号的时钟控制(所设的脉冲暂停比)，可以借助相同的至少一个可控的半导体开关来实现显著更高的输出功率。

在降压调节器的另一有利的设计方案中，降压开关转换器的布局可以为集成电路的外部布线的不同的部件预留接触点。由此，可以在集成电路作为线性调节器的第一配置和集成电路作为降压开关转换器的第二配置之间进行快速改变。

本发明的实施例在附图中示出并且在以下描述中更详细地解释。在附图中，相同的附图标记表示执行相同或类似功能的部件或元件。

附图说明

图1示出根据本发明的、具有起线性调节器作用的集成电路的降压调节器的一个实施例的示意框图。

图2示出根据本发明的、具有起降压开关转换器作用的集成电路的降压调节器的示意框图。

具体实施方式

从图1和图2可见，根据本发明的降压调节器1的所示的实施例包括：可配置的集成电路2，所述集成电路包括可配置的评估和控制单元10、可配置的驱控电路12、可配置的补偿电路5和至少一个可控的半导体开关T；和与集成电路2的端子电连接的、具有不同部件的外部布线14。在此，代表可以在集成电路2的输出端A处截取的输出电压Vout的反馈信号Vrück被引回给评估和控制单元10。评估和控制单元10基于反馈信号Vrück结合驱控电路12产生输出给至少一个可控的半导体开关T的至少一个切换信号，使得形成用于从施加在集成电路2的输入端E处的输入电压Vin来调节输出电压Vout的闭合调节回路，所述输入电压最大具有输入电压Vin的电压电平。集成电路2结合电连接的外部布线14并且根据评估和控制单元10的配置、驱控电路12的配置以及补偿电路5的配置在图1所示的第一配置中起线性调节器2A的作用或者在图2所示的第二配置中起降压开关转换器2B的作用。

从图1和图2中还可见，在所示的实施例中，集成电路2仅包括一个设计为PMOSFET的可控的半导体开关T。显然地，也可以使用不同于可控的半导体开关1的其他适合的电气组件。另外，集成电路2的输出端A加载有负载RL，所述负载在此作为欧姆电阻示出。显然地，电感性负载或电容性负载或者电感性负载或电容性负载或欧姆负载的任何混合形式也是可以考虑的。此外，外部布线14与集成电路2的运行类型无关地包括电容器C，以稳定输出电压Vout。

从图1还可见，在集成电路2作为线性调节器2A的第一配置中，外部布线14A附加地包括短路桥KB。短路桥KB将集成电路2的可截取高测电压VHS的节点与集成电路2的可截取输出电压Vout的输出端A连接。电容器C环接在集成电路2的输出端A和参考电位之间。

从图2还可见，在集成电路2作为降压开关转换器2B的第二配置中，外部布线14B附加地包括电感L和二极管D。电感L将集成电路2的可截取高侧电压VHS的节点K与集成电路2的可截取所述输出电压Vout的输出端A连接。二极管D起续流二极管的作用，并且环接在集成电路2的节点K和参考电位之间。电容器C环接在集成电路2的输出端A和参考电位之间。通过图1中的电感L和二极管D和图2中的短路桥KB的虚线表示应当表明：所示出的降压转换器1的布局为集成电路2的外部布线14的不同部件预留接触点。

从图1和图2还可见，在降压调节器1的所示的实施例中，驱控电路12包括PWM调制器3和驱动电路9。此外，输出电压Vout的一部分经由分压器作为反馈信号Vrück引回给评估和控制单元10，所述分压器由第一电阻R1和第二电阻R2组成。在降压调节器1的所示的实施例中，包括测量电阻Rs或分流器的电流传感器电路7检测流过可控的半导体开关T的电流的值，并且将对应的测量信号输出给评估和控制单元10。在产生用于半导体开关T的至少一个切换信号时，评估和控制单元10考虑流过可控的半导体开关T的电流的检测到的值。可控的半导体开关T的尺寸设计、例如布局面积和接触电阻适配于集成电路2的第一配置中的线性调节器2A的电流要求和/或回差电压要求。

在图1所示的集成电路2作为线性调节器2A的第一配置中，评估和控制单元10起差分放大器的作用，所述差分放大器将反馈信号Vrück与参考信号Vref进行比较，并且结合驱控电路12产生用于可控的半导体开关T的至少一个切换信号，所述驱控电路在集成电路2作为线性调节器2A的第一配置中仅起驱动电路9的作用。这意味着，在集成电路2作为线性调节器2A的第一配置中，PWM调制器3和补偿电路5不具有功能。在所示实施例中，参考信号Vref是内部的电压电平。替代地，参考信号Vref可以是施加到集成电路2的对应的参考信号端子的外部的电压电平。

在图2所示的集成电路2作为降压开关转换器2B的第二配置中，评估和控制单元10起比较器的作用，所述比较器将反馈信号Vrück与参考信号Vref进行比较，并且结合驱控电路12产生用于可控的半导体开关T的至少一个切换信号，所述驱控电路在集成电路2作为降压开关转换器2B的第二配置中起PWM调制器3和驱动器电路9的作用。在此，至少一个切换信号是具有设定的脉冲暂停比的PWM信号。为了产生PWM信号，将内部时钟信号CLK施加到PWM调制器3处。由于至少一个切换信号的时钟控制，在集成电路2作为降压开关转换器2B的第二配置中，可以借助相同的半导体开关T实现比在集成电路2作为线性调节器2A的第一配置中显著更高的输出功率。在集成电路2作为降压开关转换器2B的第二配置中，补偿电路5在产生至少一个切换信号时稳定评估和控制单元10。如果反馈信号Vrück小于参考信号Vref，则评估和控制单元10将第一信号输出给驱控电路12的PWM调制器3，如果反馈信号Vrück大于参考信号Vref，则评估和控制单元10将第二信号输出给驱控电路12的PWM调制器3。因此，驱控电路12的PWM调制器3结合驱动电路9基于第一信号改变至少一个切换信号，使得输出电压Vout增大，或者基于第二信号改变至少一个切换信号，使得输出电压Vout减小。这些变化通过PWM信号的脉冲暂停比的对应的变化来实现。

集成电路2本身通过改变其组成部分的配置从作为线性调节器2A的运行切换到作为降压开关转换器2B的运行。通过评估和控制单元10和/或驱控电路12和/或补偿电路5的不同配置和/或通过参考信号Vref的不同的电压电平，相应的降压调节器1可以在输出电压Vout的电平和精度方面适配于不同的要求。作为集成电路2的组成部分的评估和控制单元10和/或驱控电路12和/或补偿电路5的配置例如可以在集成电路2的第一次调试之前或期间例如经由引脚编码或工厂侧编程或系统侧编程、例如经由SPI通过控制设备的微控制器进行或通过读取外部存储器、例如EEPROM进行。

Claims (13)

1.一种降压调节器(1)，具有：

可配置的集成电路(2)，所述集成电路包括可配置的评估和控制单元(10)、可配置的驱控电路(12)、可配置的补偿电路(5)和至少一个可控的半导体开关(T)；和

与所述集成电路(2)的端子电连接的、具有不同的部件的外部布线(14)，

其中反馈信号(Vrück)被引回给所述评估和控制单元(10)，所述反馈信号代表在所述集成电路(2)的输出端(A)处可截取的输出电压(Vout)，所述评估和控制单元被设计用于：基于所述反馈信号(Vrück)结合所述驱控电路(12)产生至少一个切换信号并输出给所述至少一个可控的半导体开关(T)，使得形成用于从施加在所述集成电路(2)的输入端(E)处的输入电压(Vin)来调节所述输出电压(Vout)的闭合调节回路，所述输出电压最大具有所述输入电压(Vin)的电压电平，

其中所述集成电路(2)结合电连接的所述外部布线(14)并且根据所述评估和控制单元(10)的配置、所述驱控电路(12)的配置和所述补偿电路(5)的配置，在第一配置中起线性调节器(2A)的作用或者在第二配置中起降压开关转换器(2B)的作用。

2.根据权利要求1所述的降压调节器(1)，其特征在于，所述外部布线(14)在所述集成电路(2)作为线性调节器(2A)的第一配置中包括短路桥(KB)和电容器(C)作为部件。

3.根据权利要求2所述的降压调节器(1)，其特征在于，所述短路桥(KB)将所述集成电路(2)的可截取高测电压(VHS)的节点(K)与所述集成电路(2)的可截取所述输出电压(Vout)的输出端(A)连接，其中所述电容器(C)环接在所述集成电路(2)的所述输出端(A)和参考电位之间。

4.根据权利要求1所述的降压调节器(1)，其特征在于，所述外部布线(14)在所述集成电路(2)作为降压开关转换器(2B)的第二配置中包括电感(L)、二极管(D)和电容器(C)作为部件。

5.根据权利要求4所述的降压调节器(1)，其特征在于，所述电感(L)将所述集成电路(2)的可截取高侧电压(VHS)的节点(K)与所述集成电路(2)的可截取所述输出电压(Vout)的输出端(A)连接，其中所述二极管(D)环接在所述集成电路(2)的所述节点(K)和参考电位之间，并且其中所述电容器(C)环接在所述集成电路(2)的所述输出端(A)和所述参考电位之间。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的降压调节器(1)，其特征在于，所述评估和控制单元(10)在所述集成电路(2)作为线性调节器(2A)的第一配置中起差分放大器的作用，所述差分放大器将所述反馈信号(Vrück)与参考信号(Vref)进行比较，并且结合所述驱控电路(12)产生用于所述至少一个可控的半导体开关(T)的至少一个切换信号，所述驱控电路在所述集成电路(2)作为线性调节器(2A)的第一配置中起驱动电路(9)的作用，其中所述补偿电路(5)在所述集成电路(2)作为线性调节器(2A)的第一配置中不具有功能。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的降压调节器(1)，其特征在于，所述评估和控制单元(10)在所述集成电路(2)作为降压开关转换器(2B)的第二配置中起比较器的作用，所述比较器将所述反馈信号(Vrück)与参考信号(Vref)进行比较，并且结合所述驱控电路(12)产生用于所述至少一个可控的半导体开关(T)的至少一个切换信号，所述驱控电路在所述集成电路(2)作为降压开关转换器(2B)的第二配置中起PWM调制器(3)和驱动电路(9)的作用，其中所述补偿电路(5)在所述集成电路(2)作为降压开关转换器(2B)的第二配置中在产生所述至少一个切换信号时稳定所述评估和控制单元(10)。

8.根据权利要求7所述的降压调节器(1)，其特征在于，如果所述反馈信号(Vrück)小于所述参考信号(Vref)，则所述评估和控制单元(10)将第一信号输出给所述驱控电路(12)的所述PWM调制器(3)，并且如果所述反馈信号(Vrück)大于所述参考信号(Vref)，则所述评估和控制单元(10)将第二信号输出给所述驱控电路(12)的所述PWM调制器(3)。

9.根据权利要求8所述的降压调节器(1)，其特征在于，所述驱控电路(12)的所述PWM调制器(3)结合所述驱动电路(9)基于所述第一信号改变所述至少一个切换信号，使得所述输出电压(Vout)增大，或者基于所述第二信号改变所述至少一个切换信号，使得所述输出电压(Vout)减小。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的降压调节器(1)，其特征在于，电流传感器电路(7)被设计为：检测流过所述至少一个可控的半导体开关(T)的电流的值，并且将对应的测量信号输出给所述评估和控制单元(10)，所述评估和控制单元被设计为：在产生用于所述至少一个可控的半导体开关(T)的所述至少一个切换信号时，考虑流过所述至少一个可控的半导体开关(T)的电流的检测到的值。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的降压调节器(1)，其特征在于，将所述输出电压(Vout)或所述输出电压(Vout)的一部分作为反馈信号(Vrück)引回。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的降压调节器(1)，其特征在于，将所述至少一个半导体开关(T)的尺寸设计适配于所述集成电路(2)的第一配置中的所述线性调节器(2A)的电流要求和/或回差电压要求。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的降压调节器(1)，其特征在于，所述降压转换器(1)的布局为所述集成电路(2)的所述外部布线(14)的所述不同的部件预留接触点。